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庞小兵团队在微型温室气体检测仪研制和长三角城市温室气体立体分布取得新进展

作者:发布时间:2023-05-13浏览次数:302

庞小兵教授团队自主研发非线性红外光传感器和数字电路集成技术,突破欧美国家的卡脖子技术,研制出微型高精度CO2检测仪,仪器非常适合野外便携式检测、质量仅1千克,仪器价格也仅为进口仪器的十分之一。庞教授将仪器搭载在无人飞机和机动车上使用(图1),成功研究了长三角区域0-500米高度内CO2垂直廓线和城市大气CO2的立体分布,获得一系列新颖结果并近期发表Science of the total environmentSustainability国际学术杂志,论文第一作者都是硕士研究生吴振涛。

全球二氧化碳(CO2)浓度持续升高引发的温室效应威胁着人类生。城市作人口聚集地排放超过70%的温室气体。因此研究城市CO2的排放特征对缓解温室效应具有重要意义。然而,目前中国市场的高精度温室气体检测仪由欧美国家垄断且仪器价格昂贵、体积大、质量重,严重制约我国对城市温室气体的排放研究。为了更加灵活且精准地检测大气中的CO2浓度,厘清城市CO2的立体分布与来源排放的关系。庞教授团队通过在实验室中模拟湿度对仪器的检测干扰,计算湿度与干扰值的线性回归方程,从而修正在实际测量环境中湿度对仪器造成的测量误差。经过与美国高精度温室气体检测仪Picarro 3340型)7比对,发现湿度校正后的微型温室气体检测仪精度显著提高,与进口仪器检测数值一致,且相关性达到0.97(图2)。

此外,庞教授团队从垂直和水平两个维度,首次对长三角城市CO2的立体分布进行长达1年的观测,运用拉格朗日溯源模型和潜在源分布模型分析了区域输运对城市CO2分布的影响,其次结合了归一化植被指数进一步分析了城市CO2浓度的变化规律及其与植被分布的关系。研究结果表明,城市CO2浓度分布与源排放、植被分布密切相关,且存在季节差异。城市CO2浓度在夏季最低,冬季浓度最高,与植被的覆盖率呈负相关。在城市中郊区的植被覆盖率高于市区,光合作用对CO2的吸收使得郊区CO2浓度略低于市区。这种变化在夏季更加明显,因为长三角区域属于亚热带季风季候,典型植被为常绿阔叶林,在夏季这类植被枝叶最为茂密。CO2源排放主要自城市中心区域,在秋季和冬季会受到来自内陆地区城市排放CO2传输影响。在垂直方向上,受到大气垂直结构变化以及气团远距离输送的混合和分散作用,城市CO2垂直剖面浓度从0300米迅速下降,随后变化逐渐稳定直到500米。此外逆温层限制大气湍流活动,使得CO2垂直浓度随高度升高而增加(图3)。在城市水平方向上,受到机动车和烹饪过程中化石燃料燃烧的排放,CO2浓度高值区域主要集中在居民区和商业区附近且在早晚高峰时间段持续出现高值,表明城市中频繁的人为活动对CO2的浓度分布特征具有重要影响(图4)。

该研究得到国家重点研发计划(2022YFC3703500)、浙江省领雁发攻关计划2022C03073)、

浙江省重点研计划(2021C03165)、浙江省自然科学基金(LZ20D050002)、绍兴市科技计划项目(2022B41006)的资助。

 

文章链接及相关文献:

1. Wu, Z.; Pang, X.*; Xing, B.; Shang, Q.; Wu, H.; Lu, Y.; Wu, H.; Lyu, Y.; Li, J.; Wang, B.; Ding, S.; Chen, D.; Chen, J., Development of a Portable and Sensitive CO2 Measurement Device with NDIR Sensor Clusters and Minimizing Water Vapor Impact. Sustainability 2023, 15 (2). DOI: 10.3390/su15021533.

2. Wu, Z.; Pang, X.*; Xing, B.; Zhao, G.; Sun, S.; Yuan, K.; Lu, Y.; Sun, Q.; Shang, Q.; Lu, Y.; Lyu, Y.; Chen, D., Three-dimensional spatiotemporal variability of CO2 in suburban and urban areas of Shaoxing City in the Yangtze River Delta, China. Sci. Total Environ., 2023, 881, 163501-163501. DOI: 10.1016/j.scitotenv.2023.163501

1 自主研制的微型温室气体检测仪(右)并搭载于无人飞机上(左)。


2 自制的微型温室气体检测仪和昂贵的美国Picarro检测仪的比对,两者结果非常一致。

3 微型温室气体检测仪用于不同季节0-500米高度内绍兴市区CO2垂直廓线研究。

4 微型温室气体检测仪走航研究了绍兴市区大气CO2浓度分布